Коллиматор для телескопа своими руками

Мощный лазер своими руками за один вечер

Здравствуйте дамы и господа. Сегодня я открываю серию статей, посвященных мощным лазерам, ибо хабрапоиск говорит, что люди ищут подобные статьи. Хочу рассказать, как можно в домашних условиях сделать довольно мощный лазер, а также научить вас использовать эту мощь не просто ради «посветить на облака».

В статье описано изготовление мощного лазера (300мВт

мощность 500 китайских указок), который может нанести вред вашему здоровью и здоровью окружающих! Будьте предельно осторожны! Используйте специальные защитные очки и не направляйте луч лазера на людей и животных!

На Хабре всего пару раз проскакивали статьи о портативных лазерах Dragon Lasers, таких, как Hulk. В этой статье я расскажу, как можно сделать лазер, не уступающий по мощности продаваемым в этом магазине большинству моделей.

Для начала нужно подготовить все комплектующие:

• — нерабочий (или рабочий) DVD-RW привод со скорость записи 16х или выше;
• — конденсаторы 100 пФ и 100 мФ;
• — резистор 2-5 Ом;
• — три аккумулятора ААА;
• — паяльник и провода;
• — коллиматор (или китайская указка);
• — стальной светодиодный фонарь.

Это необходимый минимум для изготовления простой модели драйвера. Драйвер — это, собственно, плата которая будет выводить наш лазерный диод на нужную мощность.

Подключать напрямую источник питания к лазерному диоду не стоит — выйдет из строя. Лазерный диод нужно питать током, а не напряжением.

Коллиматор — это, собственно, модуль с линзой, которая сводит всё излучение в узкий луч. Готовые коллиматоры можно купить в радиомагазинах. В таких уже сразу имеется удобное место для установки лазерного диода, а стоимость составляет 200-500 рублей.

Можно использовать и коллиматор из китайской указки, однако, лазерный диод будет сложно закрепить, а сам корпус коллиматора, наверняка, будет сделан из металлизированного пластика. А значит наш диод будет плохо охлаждаться. Но и это возможно. Именно такой вариант можно посмотреть в конце статьи.

Сначала необходимо добыть сам лазерный диод. Это очень хрупкая и маленькая деталь нашего DVD-RW привода — будьте аккуратны. Мощный красный лазерный диод находится в каретке нашего привода. Отличить его от слабого можно по радиатору большего размера, нежели у обычного ИК-диода.

Рекомендуется использовать антистатический браслет, так как лазерный диод очень чувствителен к статическому напряжению. Если браслета нет, то можно обмотать выводы диода тонкой проволочкой, пока он будет ждать установки в корпус.

По этой схеме нужно спаять драйвер.

Не перепутайте полярность! Лазерный диод также выйдет из строя мгновенно при неправильной полярности подводимого питания.

На схеме указан конденсатор 200 мФ, однако, для портативности вполне хватит и 50-100 мФ.

Прежде чем устанавливать лазерный диод и собирать всё в корпус, проверьте работоспособность драйвера. Подключите другой лазерный диод (нерабочий или второй, что из привода) и замерьте силу тока мультиметром. В зависимости от скоростных характеристик силу тока нужно выбирать правильно. Для 16х моделей вполне подойдет 300-350мА. Для самых быстрых 22х можно подать даже 500мА, но уже совсем другим драйвером, изготовление которого я планирую описать в другой статье.

Выглядит ужасно, но работает!

Собранным на весу лазером похвастаться можно только перед такими же сумасшедшими техно-маньяками, но для красоты и удобства лучше собрать в удобный корпус. Тут уже лучше выбрать самому, как понравится. Я же смонтировал всю схему в обычный светодиодный фонарь. Его размеры не превышают 10х4см. Однако, не советую носить его с собой: мало ли какие претензии могут предъявить соответствующие органы. А хранить лучше в специальном чехле, дабы не запылилась чувствительная линза.

Это вариант с минимальными затратами — используется коллиматор от китайской указки:

Использование фабрично-изготовленного модуля позволит получить вот такие результаты:

Луч лазера виден вечером:

И, разумеется, в темноте:

Да, я хочу в следующих статьях рассказать и показать, как можно использовать подобные лазеры. Как сделать гораздо более мощные экземпляры, способные резать металл и дерево, а не только поджигать спички и плавить пластик. Как изготавливать голограммы и сканировать предметы для получения моделей 3D Studio Max. Как сделать мощные зеленый или синий лазеры. Сфера применения лазеров довольно широка, и одной статьёй тут не обойтись.

Внимание! На забывайте о технике безопасности! Лазеры — это не игрушка! Берегите глаза!

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Источник

Построение компактных коллиматоров для мощных светодиодов

Введение

Характеристики мощных светодиодов

Мощные светодиоды имеют большой угол обзора. Популярные светодиоды компании CREE не являются исключением. Вот, например, характеристики светодиода XP-E2 [5].

• Размер 3,45 х 3,45 x 2.08 мм
• Цвет Белый
• Максимальный ток 1 A
• Максимальная мощность 3 Вт
• Максимальный световой поток 283 лм
• Номинальное прямое напряжение 2.9 V Белый @ 350 мА
• Максимальное обратное напряжение 5 В
• Угол обзора 110°

Коллиматоры

Существует множество вариантов коллиматоров, собирающих расходящееся излучение в зоне наблюдения. Среди них можно выделить линзы (преломляющие свет), отражатели и составные коллиматоры, состоящие из линз, преломляющих поверхностей и отражателей (Рис. 1, Рис. 2).

Требуемое равномерное освещение объекта или другое распределение освещенности достигается применением специальных материалов, рассеивающих поверхностей и корректировкой форм элементов коллиматора и их расположения.

Рис. 1. Примеры структур коллиматоров светодиодов [1,2,3,4].

Рис. 2. Геометрия демонстрационных моделей среды проектирования оптических устройств LightTools.

Распределения лучей отражателя

Профиль отражателей вычисляется с учетом угла обзора и диаграммы направленности светодиода, размера объекта и расстояния до него, а также и требуемого распределения освещенности объекта.

Некоторые варианты распределения лучей светодиода на поверхности объекта показаны на Рис. 3.

Рис. 3. Варианты распределения лучей в зоне объекта. A — фокусировка в центральной точке; B, D — слабые лучи (см. диаграмму направленности) собираются на периферии зоны объекта, сильные — в центре (для усиления интенсивности центральной зоны); варианты С и E собирают слабые лучи в центе, а сильные — на периферии (для выравнивание интенсивности засветки).

Расчет профилей отражателя

Расчет профиля отражателя, фокусирующего лучи точечного источника (Рис. 3, вариант А), можно выполнить без использования специальных сред для разработки оптических систем.

Рис. 4. Распределение прямых и фокусируемых лучей (на этом рисунке слева, Рис. 3, вариант А) и диаграмма расчета профиля отражателя точечного источника (справа).

Далее, приведена программа расчета и построения профиля отражателя (Рис. 5) в среде МАТЛАБ с использованием построений Рис. 4.

Рис. 5. Профили отражателей излучения точечных источников с углом обзора 180, 120, 60 и 20 град для освещения 50 мм объекта, расположенного на расстоянии 300 мм от источника.

Диаграмма расчета профиля отражателя В (Рис. 3) показана на Рис. 6.

Рис. 6. Диаграмма расчета профиля отражателя лучей точечного источника: «Слабые» — периферийные лучи (диаграммы направленности светодиода) идут к границам объекта, «Сильные» центральные лучи собираются в центре объекта (Рис. 3, вариант В).

Рис. 7. Профили 6 мм отражателей (слева) и углы отражаемых лучей (справа). Здесь, углы рассчитаны относительно плоскости источника. Так, углу 30о соответствует угол обзора 120о = 2*(90о -30о). Соответственно, минимальный угол прямых лучей (не касающихся отражателя) равен 50о, как 2*(90о — 65о ).

Сравнительные профили отражателей вариантов A,B,C,D,E (Рис. 3) показаны на Рис. 7. Максимальный диаметр отражателей ограничен 6 мм.

Сравнение профилей (Рис. 7) и распределение лучей (Рис. 3) показывает, что длина коллиматоров и диапазон собираемых лучей максимальны для вариантов D и E. Коллиматор Е обеспечивает лучшую равномерность освещения объекта, чем коллиматор D. Коллиматор В имеет наибольшую зону для размещения линзы, которая соберёт лучи не коснувшиеся отражателя. Угол расхождения прямых лучей прошедших внутри отражателя В составляет 60 градусов (как 90-60*2).

Составной компактный коллиматор

Составной коллиматор включает отражатель, ограниченного размера, и линзу, которая фокусирует лучи не собранные отражателем. Пакеты программ LightTools или TracePro используются для расчета коллиматоров с отражателями и линзами. Расчет линзы может быть выполнен отдельно, например, в среде Zemax или Code V.

Рис. 8. Структуры компактного коллиматора из органического стекла ПММА (вверху) и коллиматора со вставной линзой из стекла BK7 (внизу) для освещения 50 мм объектов с расстояния 300 мм. Расчёт отражающей поверхности выполнен в МАТЛАБ, для расчёта линзы использовалась среда Zemax.

Рис. 9. Результаты расчета линзы коллиматора Рис. 8. в Zemax.

Построение отражателя в LightTools

Пакет программ LightTools позволяет выполнить расчет коллиматоров и оптимизировать их параметры в автоматическом режиме.

Результаты расчета в среде LightTools профиля оптимального отражателя без ограничения его размеров для освещения 50 мм объекта, удаленного от светодиода XP-E2 на 300 мм, показаны на Рис. 10. Профиль отражателя описан кривой Безье (Bezier) [6]. Модель светодиода XP-E2 взята из библиотеки LightTools. Оптимальные выходной диаметр и длина модели коллиматора составили 12.9 и 18.9 мм соответственно.

Рис. 10. Размеры и эффективность отражателя Ø12.9 x 18.9 мм. Эффективность 17.5% определяется отношением количества лучей достигших объекта к количеству лучей испускаемых источником.

Ограничение диаметра отражателя 6.2 мм привело к снижению его эффективности с 17.5% до 5,6% (Рис. 11). Это связано, в основном, с тем, что с уменьшением площади отражения возросло количество прямых лучей светодиода не попадающих в зону объекта.

Рис. 11. Характеристики освещенности и параметры оптимального отражателя, собирающего лучи светодиода XP-E2 в диапазоне 69… 103 град. Максимальный диаметр отражателя ограничен 6.2 мм. Эффективность коллиматора

Уточненная модель светодиода отличается от точечного источника тем, что излучение формируется множеством точечных источников, распределенных по всей поверхности диода, например, в зоне 1 х 1 мм для XP-E2. Углы обзора и диаграммами направленности всех источников равны.

Читайте также:  Подставка под швейную машинку зингер своими руками

Профиль отражателя излучения распределенного источника (Рис. 12) отличается от профиля отражателя для сосредоточенного источника (Рис. 11), однако их эффективности (

Рис. 12. Оптимальные параметры LightTools отражателя излучения распределенного источника XP-E2. Максимальный диаметр отражателя ограничен 6.2 мм. Эффективность коллиматора

Сравнение профилей отражателей, расcчитанных в МАТЛАБ и LightTools

Профили отражателей, показанные Рис. 13, рассчитаны в МАТЛАБ (профили: A,B,C,D,E) и LightTools (профили: LT point, LT dist, LT unlim). В МАТЛАБ выполнен ручной расчет для точечных источников. В LightTools оптимизация профилей выполнена в автоматическом режиме для точечного и распределенного источников с ограничением (6.2 мм) и без ограничения диаметра отражателя для равномерного освещения 50 мм объекта, удалённого от источника на 310 мм.

Рис. 13. Профили отражателей: A, B, C, D, E — ограниченного диаметра (6 мм), рассчитаны в МАТЛАБ для точечного источника; LT point — ограниченного диаметра (6.2 мм), рассчитан в LightTools для точечного источника; LT dist — ограниченного диаметра (6.2 мм), раcсчитан в LightTools для распределенного источника; LT unlim — свободного размера, расcчитан в LightTools для точечного источника.

Алгоритмы оптимизации параметров в LightTools скрыты от пользователя. Для понимания алгоритма оптимизации LightTools, который использовался при расчете профиля «LT dist» (Рис. 13) построено распределение лучей в МАТЛАБ (Рис. 14).

Рис. 14. Ход лучей распределенного источника отражаемых в зону 50 мм с расстояния 310 мм, общая диаграмма (слева), увеличенный фрагмент (справа). Рассматривается излучение от краёв (голубые и зеленые линии) и центра (красные линии) распределенного источника. Разделение краевых и центрального пучков 1х1 мм источника достигается смещениями отражателя на ±0.5 мм.

Распределение лучей (Рис. 14) показывает, что оптимизация LightTools нашла профиль отражателя для центрального точечного источника с освещением 1/3 зоны объекта и использовала этот профиль для освещения всей зоны объекта источниками излучения, распределенными на площади светодиода 1х1 мм.

Код МАТЛАБ для вычисления массива точек оптимального профиля отражателя — кривой Безье (‘Besier_profile_dist_source.mat’), заданной параметрами LightTools Bezier_WX Bezier_Relative_UX и Bezier_VX:

Ручной расчет коллиматора

Для выполнения ручных расчетов отражателя распределенного источника необходимо:

1. Найти координаты точки отражателя, ближайшей к источнику.
2. Рассчитать профиль отражателя (см. алгоритм раздела Расчет профилей отражателя) для уменьшенной зоны объекта, например, 1/3.

Через начальную точку отражателя, ближайшую к источнику, должны проходить лучи, испускаемые всеми точками плоскости светодиода. Прямые лучи, проходящие через начальную точку, должны освещать зону соразмерную с объектом, находящимся на требуемом расстоянии от источника.

Рис. 15. Построение лучей для поиска начальной точки отражателя. Зоны располагаются на окружности радиусом 310 мм (правый рисунок) равном расстоянию до объекта. На левом рисунке показано увеличенное изображение с поверхностью светодиода радиусом 1,5 мм.

Положению начальной точки отражателя соответствует точка 1 на поверхности светодиода радиусом 1.5 мм (Рис. 15) через которую проходят крайние (L и R) и центральный © лучи распределенного излучателя в зону

50 мм, отстоящую от источника на 310 мм.
Угол обзора рассчитанного коллиматора с отражателем можно уменьшить, включив в структуру коллиматора линзу, как показано на Рис. 8.

Источник